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2火、核電廠循環(huán)冷卻水余熱利用
2.1冷卻水?dāng)y帶大量余熱對(duì)熱機(jī)生產(chǎn)過(guò)程不可避免
從根本上著手減少乏汽余熱，則應(yīng)從熱機(jī)熱力系統(tǒng)的熱力循環(huán)優(yōu)化著手。為此，可提高汽輪機(jī)新蒸汽的溫度和壓力，降低排汽壓力。如裝置超臨界或超超臨界參數(shù)的大型機(jī)組；采用二次中間再熱循環(huán)等提高電廠熱效率，減少機(jī)組冷端熱損失。再者，從電廠的功能配置來(lái)改進(jìn)熱機(jī)效率的辦法也是行之有效的。如：熱電聯(lián)合生產(chǎn)；熱電冷聯(lián)合生產(chǎn)；燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組。所謂"熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)分布式能源技術(shù)"，即將熱、電、冷納入同一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)能源的梯級(jí)利用，提高能源的綜合利用效率；而將煤、燃?xì)獾纫淮文茉从糜诎l(fā)電，將發(fā)電后的余熱用于采暖或制冷，將更低品位的能源用于供應(yīng)生活熱水，就是"熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)"。這樣既利用了能的數(shù)量，也利用了能的質(zhì)量，是符合"總能系統(tǒng)"原則"[3]的。但是這些措施的實(shí)施不是電廠一廂情愿的事，在建電廠前須做全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析論證、熱供需雙方切實(shí)可行的匹配方可得以保障。這種問(wèn)題常常是跨行業(yè)、跨部門(mén)，難于單獨(dú)解決，需要在能源管理體制及規(guī)劃上采取切實(shí)有力的措施。
此外，20世紀(jì)70年代，北方地區(qū)一些電廠將部分中、低參數(shù)的中、小型凝汽機(jī)組(25MW以下)實(shí)行低真空運(yùn)行，用排汽加熱循環(huán)冷卻水作為熱網(wǎng)供暖的熱水或作為熱網(wǎng)一級(jí)加熱器來(lái)利用乏汽余熱。降低排汽缸真空，提高乏汽溫度的辦法對(duì)小型機(jī)組和少數(shù)中型機(jī)組尚可行，但也必須在嚴(yán)格的變工況運(yùn)行計(jì)算后，對(duì)排汽缸結(jié)構(gòu)、軸向推力的改變，軸封漏汽，末級(jí)葉輪的改造等等方面做嚴(yán)格校核和一定改動(dòng)。這種辦法對(duì)現(xiàn)代大型機(jī)組則是完全不允許的!
無(wú)論如何，從熱機(jī)蒸汽動(dòng)力循環(huán)可實(shí)現(xiàn)性的根本條件來(lái)看，冷端決不可缺失。由于冷端冷卻水溫度不可能低于當(dāng)?shù)丨h(huán)境水溫，因此，循環(huán)冷卻水的排水溫度一定高于環(huán)境水溫8～10℃。這一損失熱量對(duì)熱機(jī)生產(chǎn)過(guò)程不可避免，只有通過(guò)其它途徑加以利用，以期部分或全部回收，達(dá)到提高熱機(jī)綜合熱效率、降低電廠煤耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的零熱污染。
2.2利用電廠冷卻水余熱的意義
為保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和資源的最大限度利用，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)提出了建立"循環(huán)型社會(huì)"的21世紀(jì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略目標(biāo)，并從工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的各個(gè)方面，在有機(jī)關(guān)聯(lián)的多層面予以實(shí)施。電廠循環(huán)冷卻水余熱利用問(wèn)題正是實(shí)施"循環(huán)型社會(huì)"戰(zhàn)略目標(biāo)中的一個(gè)層面，它關(guān)系到節(jié)能、資源綜合利用以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題。
上文已談到，循環(huán)冷卻水余熱量所占到的電廠燃煤熱量的巨大比例?；厥者@部分熱能對(duì)于節(jié)約能源和煤炭資源的竭盡利用無(wú)疑是意義重大的。大力開(kāi)展能源節(jié)約與資源綜合利用，更是企業(yè)降低成本，提高效益，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的必然選擇。我國(guó)單位產(chǎn)品的能耗水平較高，目前8個(gè)高耗能行業(yè)的單位產(chǎn)品能耗平均比世界先進(jìn)水平高47%，而這8個(gè)行業(yè)的能源消費(fèi)占工業(yè)部門(mén)一次能源消費(fèi)總量的73%。按此推算，與國(guó)際先進(jìn)水平相比，中國(guó)的工業(yè)部門(mén)每年多用能源約2.3億t標(biāo)準(zhǔn)煤。約占年消費(fèi)量的15%。發(fā)電廠便是這8個(gè)高耗能源行業(yè)之一，回收余熱，可使電廠發(fā)電煤耗下降，把能源用到最精。
隨著人民生活水平的提高，城市生活及輕工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)中、低溫?zé)崮艿南M(fèi)越來(lái)越多，如：許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程都需要70～110℃范圍的熱能，目前這些熱能大都是通過(guò)電力或石油、天然氣和煤炭等燃料的燃燒來(lái)獲得。歸根結(jié)底，這是降低"燃料"這種非再生能源的高品位能為低品位能的使用，屬不合理的能源分配。它使目前我國(guó)能源綜合利用率不超過(guò)40%，極大地浪費(fèi)了資源。如果利用熱泵、熱管技術(shù)將低品位的電廠余熱提高品位向這些工業(yè)過(guò)程供熱，將會(huì)節(jié)約大量的燃料。這可提高能源綜合利用率，符合"總能系統(tǒng)"的操作原則(高品位能做功，低品位能供熱)，也可實(shí)現(xiàn)電廠燃煤熱能、核能的"循環(huán)使用"。許多國(guó)家都在進(jìn)行這方面的研究，開(kāi)發(fā)熱泵、熱管技術(shù)，以充分利用各種類(lèi)型的余熱。
能源生產(chǎn)和能源消費(fèi)所引起的環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題之一。而未來(lái)20年經(jīng)濟(jì)翻兩番和全面實(shí)現(xiàn)小康社會(huì)，能源和能源消費(fèi)所帶來(lái)的問(wèn)題同過(guò)去20年相比將會(huì)更加突出、更加嚴(yán)峻。
我國(guó)一次能量資源的稟賦特點(diǎn)決定了能源發(fā)展以煤為主和電力工業(yè)以燃煤火電為主的格局。而大氣質(zhì)量嚴(yán)重污染的主要原因正是我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，況且沒(méi)有對(duì)煤炭利用采取有效的環(huán)保措施。煙塵和二氧化碳排放量的70%、二氧化硫的90%、氮氧化物的67%來(lái)自于燃煤。據(jù)環(huán)保部門(mén)測(cè)算[4]，減少1t標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒，便可少排放CO2∶440kg、SO2∶20kg、煙塵：15kg、灰渣：260kg，能有效地改善大氣及環(huán)境質(zhì)量。因此，利用循環(huán)冷卻水余熱節(jié)約煤炭資源，不僅是資源的節(jié)約，更可減少燃煤的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)，非常有利于環(huán)境保護(hù)。
利用掉循環(huán)冷卻水余熱，使排放到大氣、水域中的熱量降低，甚至實(shí)現(xiàn)電廠零熱排放，可避免上文中一再提及的熱污染發(fā)生，這無(wú)疑是電廠對(duì)周?chē)鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)的極大貢獻(xiàn)。未來(lái)20年，我國(guó)將實(shí)行"保障供應(yīng)、節(jié)能優(yōu)先、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、環(huán)境友好"的可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)GDP翻兩番、能源翻一番的戰(zhàn)略目標(biāo)。火、核電廠循環(huán)冷卻水余熱綜合利用的方向正符合這一宏偉的戰(zhàn)略目標(biāo)。
"能源節(jié)約與資源綜合利用'十五'規(guī)劃"中指出：應(yīng)認(rèn)真貫徹落實(shí)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，堅(jiān)持"資源開(kāi)發(fā)與節(jié)約并舉，把節(jié)約放在首位，依法保護(hù)和合理使用資源，提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)永續(xù)利用"的方針；規(guī)定了主要耗能產(chǎn)品單位綜合能耗應(yīng)大幅度降低，到2005年，大中型鋼鐵企業(yè)噸鋼綜合能耗下降到0.8t標(biāo)準(zhǔn)煤以下；火電廠供電煤耗下降到380g標(biāo)準(zhǔn)煤/kWh；
"規(guī)劃"確定的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)之一便是發(fā)電廠的多聯(lián)供技術(shù)。即重點(diǎn)發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱及熱能梯級(jí)利用技術(shù)，推廣熱電冷聯(lián)供和熱電煤氣三聯(lián)供等多聯(lián)供技術(shù)。循環(huán)水余熱利用正體現(xiàn)了這一熱能梯級(jí)利用、熱電冷聯(lián)供的節(jié)能技術(shù)思路；符合能源節(jié)約與資源綜合利用"規(guī)劃"確定的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)范疇。
2.3電廠循環(huán)冷卻水余熱利用的途徑
1999年中國(guó)水利水電科學(xué)院與國(guó)家電力公司環(huán)保辦公室一起完成了"火電廠余熱綜合利用研究評(píng)價(jià)--全國(guó)火電廠余熱利用情況調(diào)查報(bào)告"[5]。研究指出：限于電廠循環(huán)冷卻水排水余熱溫度在50℃以下，屬于低品位熱能，直接利用范圍狹窄。目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)展其余熱利用的電廠很少，僅占火電廠總數(shù)的16%。其中，87%的電廠主要利用方式是水產(chǎn)品養(yǎng)殖，其利用量極少，且效率十分低下。因此，應(yīng)組織人力，并有一定的投入，集中重點(diǎn)方向開(kāi)展高效率余熱利用技術(shù)的研究、實(shí)驗(yàn)和試點(diǎn)工作。即對(duì)熱泵、熱管這種技術(shù)含量高并已相當(dāng)成熟的技術(shù)如何在電廠循環(huán)水余熱利用中有效采用，組織攻關(guān)，建立示范工程，推廣技術(shù)。
我國(guó)從事環(huán)境保護(hù)的學(xué)者和有識(shí)之士，將城市廢水視為城市可再利用的資源時(shí)，己不再停留在污水回用(中水利用)這一層面上，而是要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)城市污水的廢熱能回收及污泥利用，以實(shí)現(xiàn)城市污水三位一體的成套體系型污水資源化戰(zhàn)略[2]。城市污水的廢熱能回收利用，為電廠循環(huán)冷卻水余熱利用的必要性和迫切性提供了理論和技術(shù)支持。城市污水熱能回收利用的實(shí)施途徑、可行性分析、回收利用系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)及運(yùn)行狀況分析等，對(duì)火、核電廠循環(huán)冷卻水余熱利用的研究和實(shí)施都是極具借鑒價(jià)值的。
城市污水熱能回收利用的途徑以熱泵回收低品位能源為理論基礎(chǔ)。熱泵是一種把低溫位的熱能輸送至高溫位的機(jī)械。從原理上而言，熱泵與制冷機(jī)是相同的，區(qū)別在于使用的目的。實(shí)際上，制冷和供熱是熱泵(或制冷機(jī))熱力循環(huán)過(guò)程中的兩個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，也正是充分利用這兩個(gè)環(huán)節(jié)，使熱泵技術(shù)在電廠余熱利用中既可供熱，又可制冷。這里所提及的"熱泵"技術(shù)實(shí)為"制冷/供熱"技術(shù)的統(tǒng)稱(chēng)。
利用熱泵技術(shù)回收電廠余熱、特別是回收汽輪機(jī)循環(huán)冷卻水余熱的工作原理是：熱泵利用該余熱源作為低溫?zé)嵩?，以熱泵系統(tǒng)中的工質(zhì)作為熱的載體。按熱力學(xué)第二定律，熱量不會(huì)自發(fā)地從低溫區(qū)向高溫區(qū)傳遞，因此熱泵工作時(shí)必消耗一定的有用能量(如：電能和熱能)驅(qū)動(dòng)工質(zhì)，在熱泵系統(tǒng)內(nèi)以相變熱(汽化潛熱或凝結(jié)熱)形式自低溫?zé)嵩磶ё邿崃坎⑤斔椭粮邷責(zé)嵩?。?qū)動(dòng)熱泵所消耗的有用能(或功)E全部被轉(zhuǎn)換成熱，這部分熱量E和從低溫體吸取的熱量Q2一起輸向高溫體，即Q1=Q2+E，Q1為向高溫體輸送的熱量。為說(shuō)明這種能量轉(zhuǎn)換的優(yōu)劣，熱泵工作效率可用性能系數(shù)COP(CoefficientofPerformance)或供熱系數(shù)來(lái)衡量，COP=Q1/E，則COP=Q1/E=Q2/E+1=ε+1，ε=Q2/E，稱(chēng)為制冷系數(shù)?？梢?jiàn)COP恒大于1，熱泵的該值一般為1.5～4，說(shuō)明熱泵消耗少量的有用能可獲得數(shù)倍的熱能，這正是從低溫?zé)嵩刺崛〉臒崃?。?dāng)今，已有了多種類(lèi)型的熱泵：如壓縮式熱泵、吸收式熱泵、蒸汽噴射式熱泵。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)、外陸續(xù)在太陽(yáng)能利用和工業(yè)余熱利用領(lǐng)域開(kāi)展了固體吸附式熱泵的應(yīng)用性研究，取得了不少較成功的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并開(kāi)始了初期的商業(yè)化生產(chǎn)。熱泵的設(shè)計(jì)中，要依據(jù)余熱資源的實(shí)際溫度高低選擇工質(zhì)對(duì)，并根據(jù)實(shí)際的要求選擇合適的制冷循環(huán)方式。對(duì)于電廠循環(huán)冷卻水如此低品位的熱源，選擇工質(zhì)對(duì)和制冷循環(huán)方式更是一個(gè)首要而艱難的探索過(guò)程。
熱泵技術(shù)的日趨成熟和快速發(fā)展，無(wú)疑為推廣余熱熱能回收利用提供了可靠的技術(shù)保證。因此，電廠循環(huán)冷卻水余熱利用同樣應(yīng)該重點(diǎn)放在熱泵、熱管這一高效率回收途徑上，并適當(dāng)兼顧其他綜合利用的形式。電廠循環(huán)冷卻水余熱利用應(yīng)當(dāng)比污水熱能回收更易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡姀S循環(huán)冷卻水有相對(duì)清潔的水質(zhì)，相對(duì)穩(wěn)定的流量和溫度；電廠又有充沛、廉價(jià)的電力、熱力，尤其有可驅(qū)動(dòng)熱泵的中溫、中壓廢熱源。經(jīng)熱泵提升溫度后的循環(huán)冷卻水的熱量，不僅可用于空調(diào)、生活熱水、輕工業(yè)生產(chǎn)(如：干燥、食品加工、紡織業(yè)……)，也可返回電廠回?zé)嵯到y(tǒng)，加熱給水，提高電廠熱效率。因此，無(wú)論從電廠循環(huán)冷卻水所蘊(yùn)含的巨大熱量可作為城市低溫?zé)崮苜Y源加以再利用；還是從保證電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，或是從降低冷卻水排放熱污染影響，進(jìn)而一定程度削減電廠建設(shè)中關(guān)于取、排水工程問(wèn)題難度而言，都應(yīng)該把循環(huán)冷卻水熱能回收利用研究提到考慮的日程上來(lái)。
在當(dāng)今全球規(guī)模的環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重的情勢(shì)下，以往那種"大量生產(chǎn)、大量流通、大量浪費(fèi)、大量廢棄"的生產(chǎn)模式己經(jīng)越來(lái)越不被人們所接受。因此，應(yīng)切實(shí)關(guān)注這一巨大的低溫?zé)嵩吹馁Y源效益，在"把節(jié)約放在首位，依法保護(hù)和合理使用資源，提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)永續(xù)利用"的方針指導(dǎo)下，樹(shù)立開(kāi)展電廠循環(huán)冷卻水余熱利用的超前理念，設(shè)立專(zhuān)門(mén)的組織機(jī)構(gòu)，統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一管理。將高技術(shù)含量的回收利用與一般性回用途徑結(jié)合起來(lái)。以高技術(shù)為龍頭，因地制宜、因時(shí)制宜地開(kāi)展這一余熱利用的事業(yè)；在宏觀監(jiān)控上，國(guó)家應(yīng)出臺(tái)鼓勵(lì)電廠余熱利用的政策，對(duì)于利用余熱進(jìn)行生產(chǎn)加工的企業(yè)給予優(yōu)先發(fā)展的條件，對(duì)其產(chǎn)品銷(xiāo)售給予優(yōu)惠；在技術(shù)研發(fā)上，要研制和開(kāi)發(fā)低成本高效率、能充分利用電廠自身廢熱能為驅(qū)動(dòng)能的熱泵機(jī)組，以及開(kāi)發(fā)采用熱管這一熱超導(dǎo)元件的高效換熱裝置。隨著科技的發(fā)展，應(yīng)逐步加大熱泵、熱管高技術(shù)回用技術(shù)在電廠循環(huán)冷卻水余熱利用中的比例。為保障'循環(huán)水余熱利用'研究項(xiàng)目的實(shí)施，要建立"產(chǎn)學(xué)研"一體的技術(shù)開(kāi)發(fā)體系，組織示范工程。
3結(jié)語(yǔ)
污水處理資源化的三大支柱之一便是污水熱能回收利用，這是環(huán)境保護(hù)及資源循環(huán)利用先導(dǎo)者們面對(duì)世界生態(tài)環(huán)境日趨惡劣、可用資源日漸匱乏的嚴(yán)酷現(xiàn)實(shí)所提出的戰(zhàn)略。污水熱能回用尚且如此，火、核電廠循環(huán)冷卻水所含巨大余熱量的回收利用，在能源節(jié)約及環(huán)境保護(hù)上的深深寓意應(yīng)不辨自明。因此，當(dāng)前問(wèn)題所在已不是應(yīng)不應(yīng)該開(kāi)展電廠循環(huán)冷卻水余熱利用的研究，而是如何把利用的研究工作搞得更好；不是有幾個(gè)電廠對(duì)循環(huán)冷卻水余熱已有所利用，熱泵技術(shù)已相對(duì)成熟，可照搬過(guò)來(lái)了，而是如何緊密結(jié)合電廠實(shí)際情況，提高利用的效益，充分使用電廠生產(chǎn)過(guò)程中排放的其它廢熱源，而去研制更適合火、核電廠回收低品位熱能的高效廉價(jià)的熱泵、熱管換熱器。不應(yīng)該躊躇于初期階段有可能出現(xiàn)的"投入"微勝、甚至不抵"產(chǎn)出"的暫時(shí)局面，確信隨著國(guó)家宏觀調(diào)控政策的逐漸完善、世界科技水平的日益發(fā)展，在此項(xiàng)研究的深入進(jìn)程中，低成本、高產(chǎn)出的效益型電廠循環(huán)水余熱回收利用系統(tǒng)定會(huì)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)?，如此巨額數(shù)量能源的回用，本身就是資源財(cái)富；燃煤及熱排放所造成生態(tài)污染的消除，本身就是巨大效益!
文章來(lái)自：http://www.ytebara.com.cn/index.php?catid=789/
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